(57)【要約】【課題】  水透過型加湿器を備えた燃料電池用加湿システムにおける供給ガスに対する加湿量および加湿効率を高める。【解決手段】  供給ガス入口側通路７に流入する供給ガス（空気）は、水透過型加湿器３を経て燃料電池１へ供給される。水透過型加湿器３には、燃料電池１から排出される水分を含む排出ガスが通過し、燃料電池１に供給される供給ガスを加湿する。水透過型加湿器３を通過した水分を含む排出ガスの一部は、排出ガス循環通路１３を通って水透過型加湿器３下流の供給ガス出口側通路１１に合流し、燃料電池１に供給される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から排出される排出ガス中の水分を、前記燃料電池に供給する供給ガス側へ透過させる水透過型加湿器を備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記水透過型加湿器を通過後の前記排出ガスの一部を、前記水透過型加湿器を通過後の前記供給ガスに合流させる排出ガス循環手段を設けたことを特徴とする燃料電池用加湿システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用加湿システムにおいて、前記排出ガス循環手段は、前記水透過型加湿器を通過後の前記排出ガスが流れる排出ガス出口側通路と、前記水透過型加湿器を通過後の前記供給ガスが流れる供給ガス出口側通路とを互いに連通する排出ガス循環通路を備え、この排出ガス循環通路に、排出ガスの流量を調整する排出ガス流量調整装置を設けたことを特徴とする燃料電池用加湿システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池用加湿システムにおいて、前記供給ガス出口側通路と前記排出ガス循環通路との連通部より下流に、前記供給ガス出口側通路を流れるガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を設けたことを特徴とする燃料電池用加湿システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池用加湿システムにおいて、前記水透過型加湿器を通過前の前記供給ガスの一部を、前記排出ガス循環通路より下流側の前記排出ガス出口側通路に合流させる供給ガス排出通路を設け、この供給ガス排出通路に供給ガスの排出流量を調整する供給ガス排出流量調整装置を設けたことを特徴とする燃料電池用加湿システム。
【請求項５】
燃料電池から排出される排出ガス中の水分を、前記燃料電池に供給する供給ガス側へ透過させる水透過型加湿器を備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記水透過型加湿器を通過前の前記排出ガスの一部を、前記水透過型加湿器を通過後の前記供給ガスに合流させる排出ガス循環手段を設けたことを特徴とする燃料電池用加湿システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池用加湿システムにおいて、前記排出ガス循環手段は、前記水透過型加湿器を通過前の前記排出ガスが流れる排出ガス入口側通路と、前記水透過型加湿器を通過後の前記供給ガスが流れる供給ガス出口側通路とを互いに連通する排出ガス循環通路を備え、この排出ガス循環通路に、排出ガスの流量を調整する排出ガス流量調整装置を設けたことを特徴とする燃料電池用加湿システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池用加湿システムにおいて、前記供給ガス出口側通路と前記排出ガス循環通路との連通部より下流に、前記供給ガス出口側通路を流れるガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を設けたことを特徴とする燃料電池用加湿システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池用加湿システムにおいて、前記水透過型加湿器を通過前の前記供給ガスの一部を、前記水透過型加湿器を通過後の前記排出ガスが流れる排出ガス出口側通路に合流させる供給ガス排出通路を設け、この供給ガス排出通路に供給ガスの排出流量を調整する供給ガス排出流量調整装置を設けたことを特徴とする燃料電池用加湿システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池から排出される排出ガス中の水分を、燃料電池に供給する供給ガス側へ透過させる水透過型加湿器を備えた燃料電池用加湿システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の水透過型加湿器を備える燃料電池用加湿システムとしては、例えば下記特許文献１に記載されたものがある。これは、水透過型加湿器を中空糸膜モジュールで構成し、中空糸膜モジュール内を通流する排出ガスの量が供給ガスの量より多くなるように構成している。
【特許文献１】特開２００２−７５４２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記したような燃料電池から排出される排出ガス中の水分を燃料電池に供給する供給ガス側へ透過させる水透過型加湿器においては、実際のところ供給ガス側へ透過する水分量(回収できる水分量)は、回収されずに排出される水分量に比べて大幅に少ない。従来技術の方法においても、排出ガス量を供給ガス量より多くすることで加湿量を多くすることができるが、加湿効率を高めるには不充分であり、かつ排出ガス側の圧力損失が大きくなるという問題がある。
【０００４】
そこで本発明は、水透過型加湿器を備えた燃料電池用加湿システムにおける供給ガスに対する加湿量および加湿効率を高めることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、燃料電池から排出される排出ガス中の水分を、前記燃料電池に供給する供給ガス側へ透過させる水透過型加湿器を備えた燃料電池用加湿システムにおいて、前記水透過型加湿器を通過後の前記排出ガスの一部を、前記水透過型加湿器を通過後の前記供給ガスに合流させる排出ガス循環手段を設けたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、水透過型加湿器を通過後の水分を含む排出ガスの一部を、水透過型加湿器を通過後の供給ガスに合流させるようにしたので、排出ガス中の水分の一部を排出せずに供給ガス側へ回収することになり、燃料電池への供給ガスに対する加湿量および加湿効率を高めることができる。また、水透過型加湿器を通過後の排出ガスを供給ガス側に戻すため、水透過型加湿器内での排出ガスの供給ガスに対する加湿量・加湿効率は、排出ガス循環手段を設けない場合と同等であり、排出ガス循環手段により水分を含む排出ガスの一部を供給ガス側に戻す分、加湿量および加湿効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【０００８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池用加湿システムの全体構成図である。燃料電池１は、水素が供給されるアノード極と酸素が供給されるカソード極とが、電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わせて発電セルを構成し、この発電セルを多段積層したスタック構造を呈し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギへと変換する。
【０００９】
アノード極では、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード極にそれぞれ移動する。カソード極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオンおよび上記電子が反応して水が生成されて外部に排出される。
【００１０】
燃料電池１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化などを考慮して、例えば固体高分子電解質を用いる。固体高分子体電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜など、イオン伝導性の高分子膜からなり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能することから、この燃料電池１においては水を供給して供給ガスを加湿することが必要となる。
【００１１】
上記した供給ガスを加湿するための水透過型加湿器３は、燃料電池１のカソード極から排出ガス入口側通路５を経て排出される、水蒸気を豊富に含む排出ガスと、図示しない空気導入部で加圧、昇温され、供給ガス入口側通路７を経て導入される供給ガス（空気）との間で水蒸気を交換するものであり、ここでは、水透過膜として中空糸膜を用いた中空糸膜モジュールを備えている。
【００１２】
なお、図１では、燃料電池１に水素を供給する水素供給通路および、燃料電池１から余剰の水素が排出される水素排出通路は省略している。
【００１３】
前記した水透過型加湿器３を通過後の排出ガスが流れる排出ガス出口側通路９と、水透過型加湿器３を通過後の供給ガスが流れる供給ガス出口側通路１１とは、排出ガス出口側通路９を流れる排出ガスの一部を供給ガス出口側通路１１に合流させる排出ガス循環通路１３により連通接続する。この排出ガス循環通路１３には、排出ガスの流量を調整する排出ガス流量調整装置１５を設けている。
【００１４】
また、排出ガス循環通路１３と供給ガス出口側通路１１との連通部より下流の供給ガス出口側通路１１に、この供給ガス出口側通路１１を流れるガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段としてのＯ2センサ１７を設けている。
【００１５】
また、供給ガス入口側通路７と、排出ガス循環通路１３より下流側の排出ガス出口側通路９とを、供給ガス排出通路１９で互いに連通し、この供給ガス排出通路１９に供給ガスの排出流量を調整する供給ガス排出流量調整装置２１を設ける。
【００１６】
次に作用を説明する。燃料電池１に対し、図示しない水素供給通路から水素ガスを供給するとともに、燃料電池１に供給する供給ガスとしての酸素を含む空気を供給ガス入口側通路７から供給する。ここで空気は、供給ガス入口側通路７から水素透過型加湿器３を通過することで、燃料電池１から排出される水分を含む排出ガスによって加湿された状態となり、加湿状態で供給ガス出口側通路１１を経て燃料電池１に供給される。
【００１７】
また、排出ガス入口側通路５から水素透過型加湿器３を通過した水分を含む排出ガスの一部は、排出ガス循環通路１３を経て供給ガス出口側通路１１に合流した後、燃料電池１に供給される。
【００１８】
このように、上記した第１の実施形態によれば、水透過型加湿器３を通過後の水分を含む排出ガスの一部を、水透過型加湿器３を通過後の供給ガスに合流させるようにしたので、排出ガス中の水分の一部を排出せずに供給ガス側へ回収することになり、本加湿システムにおける燃料電池１への供給ガスに対する加湿量および加湿効率を高めることができる。
【００１９】
また、水透過型加湿器３を通過した後の排出ガスを供給ガス側に戻すため、水透過型加湿器３内での排出ガスの供給ガスに対する加湿量・加湿効率は、排出ガス循環通路１３を設けない場合と同等であり、排出ガス循環通路１３により排出ガスの一部を供給ガス側に戻す分、加湿量および加湿効率が向上する。
【００２０】
ここで、排出ガス循環通路１３を循環させる排出ガスの量に比べ、供給ガスの量が大幅に多い場合には、上記した実施形態のように水透過型加湿器３を通過後の排出ガスを供給ガス側に戻すことで、燃料電池１からの排出ガスの全量を水透過型加湿器３に流すことになり、このため水透過型加湿器３内での加湿効率を高めることができる（水透過型加湿器３は供給ガスと排出ガスとの水分濃度差を大きくすることで加湿効率が向上する）。
【００２１】
このような供給ガスおよび排出ガスの流れの過程において、酸素濃度検出手段１７の検出値を受けて図示しない制御回路が、排出ガス流量調整装置１５および供給ガス排出流量調整装置２１をそれぞれ制御する。
【００２２】
排出ガス流量調整装置１５および供給ガス排出流量調整装置２１のそれぞれの制御が必要になるのは、燃料電池１を運転する際の定格条件に近い高流量域となる。制御方法としては、発電に必要な酸素濃度を確保するために、Ｏ2センサ１７はある一定値以下の酸素濃度を検出すると、制御回路が制御信号を出力し、排出ガス流量調整装置１５および供給ガス排出流量調整装置２１をそれぞれ制御する。
【００２３】
具体的には、多くの加湿を必要とする場合は、排出ガス循環通路１３に流量が多く流れるよう制御し（必要に応じて全部循環させる。全部循環させるには、排出ガス流量調整装置１５を、排出ガス循環通路１３と排出ガス出口側通路９との接続部に設置する必要がある）、排出ガス循環通路１３で循環させているガス流量と同じ量の供給ガスを、供給ガス排出通路１９に流す。
【００２４】
そうすることで、多くの水分を含む排出ガスを燃料電池１に回すことができ、加湿効率を高めることができる。Ｏ2センサ１７の役目は、燃料電池１からの排出ガスの酸素濃度が供給ガスに比較して低いため、排出ガス循環させると発電に必要な燃料である水素との混合比を適正に確保できないため、循環中に酸素濃度がある一定値以下もしくボーダーラインに近づいてきたら、制御回路が制御信号を発するようにし、排出ガス循環通路１３に流れる排出ガスを、排出ガス流量調整装置１５で流量制御しつつ供給ガス出口側通路１１に流すことで（必要に応じては循環させない）、燃料電池１に供給するガス中の酸素濃度の低下を防ぐ。
【００２５】
なお、排出ガス循環通路１３に流れる排出ガス循環流量と、供給ガス排出通路１９に流れる供給ガス排出流量は同等である。
【００２６】
図２は、本発明の第２の実施形態に係わる燃料電池用加湿システムの全体構成図である。この実施形態は、前記図１に示した第１の実施形態における排出ガス循環通路１３に代えて、排出ガス入口側通路５と、Ｏ2センサ１７の上流側の供給ガス出口側通路１１とを連通する排出ガス循環通路２３を設けている。排出ガス循環通路２３には、第１の実施形態と同様な排出ガス流量調整装置１５を設置する。その他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００２７】
すなわち、この実施形態では、水透過型加湿器３を通過前の排出ガスの一部を、水透過型加湿器３を通過後の供給ガスに合流させる排出ガス循環手段を設けている。
【００２８】
このような構成とすることで、水透過型加湿器３を通過前の水分を含む排出ガスの一部を、水透過型加湿器３を通過後の供給ガスに合流させることができるので、排出ガス中の水分の一部を排出せずに供給ガス側へ回収することになり、第１の実施形態と同様に、燃料電池１への供給ガスに対する加湿量および加湿効率を高めることができる。
【００２９】
また、第２の実施形態では、水透過型加湿器３を通過する前の排出ガスの一部を、供給ガスに合流させているため、排出ガスを水透過型加湿器３に通過させた後供給ガスに合流させる第１の実施形態に比較して、供給ガスに合流させる排出ガスの圧力損失を低減でき、排出ガスを効率よく燃料電池１に供給することができる。
【００３０】
なお、上記した各実施形態においては、水透過型加湿器３は中空糸膜を用いたものであるが、中空糸膜に限定されることはなく、他の型式の水透過型加湿器でもよい。また、前記図１に示した第１の実施形態と図２に示した第２の実施形態とを組み合わせてもよい。すなわち、水透過型加湿器３を通過後の排出ガスの一部を、排出ガス循環通路１３を経て供給ガス出口側通路１１に合流させる構成と、水透過型加湿器３を通過前の排出ガスの一部を、排出ガス循環通路２３を経て供給ガス出口側通路１１に合流させる構成とを組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池用加湿システムの全体構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係わる燃料電池用加湿システムの全体構成図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  燃料電池
３  水透過型加湿器
５  排出ガス入口側通路
９  排出ガス出口側通路
１１  供給ガス出口側通路
１３  排出ガス循環通路（排出ガス循環手段）
１５  排出ガス流量調整装置
１７  Ｏ2センサ（酸素濃度検出手段）
１９  供給ガス排出通路
２１  供給ガス排出流量調整装置
２３  排出ガス循環通路（排出ガス循環通路）
【図１】
2006269356.tif 000003
【図２】
2006269356.tif 000004